【大纪元2020年08月10日讯】（大纪元记者周培综合报导）航太私企SpaceX和蓝色起源（Blue Origin）都在加快以甲烷为燃料的火箭发动机，期待明年能投入使用，实现人类航太史上的又一项突破。美国国防部8月7日宣布，美国联合发射联盟（ULA）与SpaceX公司，赢得美国太空军“国家安全太空发射”（NSSL）第二阶段合约，代表两公司将承包2022至2027年美军所有委外军用发射任务。有意思的是，这次合约中的火箭都将采用新型甲烷/液氧发动机，在价格和运载能力上取得新的平衡。
根据公布资料，由洛克希德·马丁公司与波音公司合资成立的联合发射联盟，获得承包6成发射任务机会，剩下则由SpaceX承包，亚马逊的子公司蓝色起源与诺斯洛普·格鲁曼则未出线。
美国空军部负责采购、技术与后勤的助理部长罗珀表示，国家安全太空发射计划第二阶段为期5年（2020财年至2024财年采购），预计在2022至2027年间发射，其委外发射任务数量“没有上限”，但罗珀估计可能上看32至34次发射，目前公布的只有2022年进行的前3次发射任务，其中2次由联合发射联盟拿下，1次由SpaceX承包。
蓝源与SpaceX都青睐甲烷发动机
国家安全太空发射计划的第二阶段最主要目的，就是全面停止使用ULA的“擎天神5号”（Atlas V）火箭，该型火箭目前使用俄制RD-180火箭发动机，先前美国国会已勒令国防部必须在2022年，全面停止向俄国采购火箭发动机。
这代表自2022年起，美军军用发射任务将以ULA预定2021年首飞的新火箭“火神半人马座”（Vulcan Centaur），以及SpaceX已获认证的猎鹰9号（Falcon 9）与猎鹰重型（Falcon Heavy）火箭，为主要的发射载具，但第二级要采用新型的猛禽（Raptor）发动机。
虽然蓝色起源未能拿下发射合约，但它目前研发的BE-4火箭发动机却被联合发射联盟选中，用来替代俄制RD-180。蓝色起源表示，今年晚些时候将交付首批两台BE-4发动机，并将交付给ULA，以便将它们整合到火神火箭上，进行首次静态热火测试。
蓝色起源于2011年开始研发BE-4发动机，尽管它最初是专门为自家的“新格伦号”火箭而设计的，但联合发射联盟在2014年宣布，也将使用这款发动机为自己的火神半人马座火箭提供动力。BE-4的推力为55万磅（约合250吨），使用液化天然气（主要成分是甲烷）和氧气的混合物作为燃料，是从头设计的全新火箭发动机。
无独有偶，拥有成熟的梅林发动机的SpaceX也看好甲烷火箭发动机。从2009年开始研发猛禽火箭发动机，比蓝色起源还早。2016年1月，SpaceX同意由美国空军从防卫部门预算中拿出3,360万美元提供资金支持以研发一款可能会被用于猎鹰9号运载火箭及猎鹰重型运载火箭的第二节的原型猛禽火箭发动机。
运载火箭需要既带有燃料，又带有助燃用的氧化剂。在火箭发展历史中，经过对储存性、维护性、价格、比冲的反复衡量之后，基本确定了燃料/氧化剂的组合，从最初有毒的偏二甲肼/四氧化二氮，逐渐进化到目前主流的煤油/液氧与液氢/液氧。从各种物理性质来看，甲烷介于煤油和氢气之间，但价格却极为便宜，储运也不复杂，而且不易结焦，适合于富燃循环模式。
猛禽和BE-4发动机都采用液化天然气（甲烷）为燃料，但循环模式不太相同。就像SpaceX追求极致一样，猛禽发动机采用了全流量分级燃烧循环（FFSCC）模式，是一款具有高推重比（大于107:1）的发动机，而BE-4发动机的设计则保守多了，采用了富氧闭式循环模式，推重比并不高，只有73:1。不过这两种发动机的海平面最大推力都大于200吨，BE-4的目标是250吨，猛禽的目标则是300吨以上。
猛禽发动机追求极致性能
SpaceX开发的梅林火箭发动机（Merlin rocket engine）是当今世界上最先进的液氧煤油火箭发动机之一，它是一款有极高推重比（198：1）的廉价、可重复使用、易于大量生产的火箭发动机。同时梅林发动机也有着最高的可靠性，截至2019年底，其最新版本梅林1D（Merlin 1D）经过650多次飞行从未发生事故。
但梅林发动机为了结构简单，采用了燃气发生器开放式循环模式。因为煤油的碳链较长，碳元素的占比大大高于甲烷，因此煤油在预燃室进行富燃燃烧时，会产生煤烟，在高压下有严重的积碳结焦问题。如果采用富氧燃烧的话，则会产生高温高压的氧气，这对涡轮叶片有极高的要求。梅林发动机出于可靠性、成本和可重复性，于是采用了燃气发生器循环模式，以简化结构，但会造成一部分燃料白白烧掉，无法充分利用。
为了充分利用燃料和氧气，就需要采用闭式循环方式，美国只有液氢液氧发动机才采用这种循环方式，但前苏联不论是煤油液氧，还是液氢液氧发动机都采用了闭式循环模式。只不过闭式循环模式结构复杂，要使用特殊合金金属才能承受极度高温高压，并保持密封性，也很难重复使用，这样也导致发动机价格相当昂贵。
作为商业公司，SpaceX既没有那么大的财力去搞这种耐超高温高压的特种金属，而且出于重复使用的目的也不想把结构搞得过于复杂，反而从燃料和循环模式上下功夫，终于研发出了全流量分级燃烧循环（FFSCC）模式的甲烷液氧火箭发动机。
该系统的优势在于燃料和氧化剂在到达主燃烧室的时候都是气态，它们会更加充分的燃烧，可以达到更高的温度；还不需要非常精密的密封系统，可大幅减少维护工作。这些对于减少或免除翻新作业就能多次重复使用的发动机来说是很有利的。
前苏联和美国都曾经试图研制FFSCC火箭发动机，前苏联研发出了RD-270发动机，美国的Aerojet Rocketdyne也曾经研发出来过“集成动力验证器”，但最终都没能上天就被取消了。
现在SpaceX的猛禽发动机试验型号（Raptor SN27）已经通过地面点火试验，并装在星舰（Starship）SN5原型机上，于8月5日成功地进行了实际短暂的点火飞行。从试验数据上来看，单台海平面最大推力已经达到200吨，各项性能指标都接近火箭发动机的翘楚RD-180，燃烧室压力更超过了RD-180，达到了创纪录的270 Bar。如果持续改进的话，相信定型后的猛禽发动机一定会超越RD-180，成为大推力廉价发动机的佼佼者。
美国在航太军事领域开放民营企业进入，极大地提高了竞争力，让国家能以更低的成本完成更多的任务。◇
责任编辑：陈怀瑾
